在我們的月球之外冒險(xiǎn)的航天器依靠與地球上的地面站的通信來弄清他們在哪里以及他們要去哪里。美國宇航局的深空原子鐘正在努力讓這些遠(yuǎn)方的探索者在導(dǎo)航時(shí)有更多的自主權(quán)。在2021年6月30日發(fā)表在《自然》雜志上的一篇新論文中，該任務(wù)報(bào)告了他們在提高天基原子鐘長期持續(xù)測量時(shí)間的能力方面的工作進(jìn)展。

這項(xiàng)功能可提高整套系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也影響到幫助人們在地球上導(dǎo)航的GPS衛(wèi)星的運(yùn)行，因此這項(xiàng)工作也有可能提高下一代GPS航天器的自主性。

為了計(jì)算一個(gè)遙遠(yuǎn)的航天器的軌跡，工程師們將信號從航天器發(fā)送至地球并返回。他們在地面上使用冰箱大小的原子鐘來記錄這些信號的時(shí)間，這對于精確測量航天器的位置至關(guān)重要。但是對于火星或更遙遠(yuǎn)的目的地的機(jī)器人來說，等待信號的旅程可能很快就會增加到數(shù)十分鐘甚至數(shù)小時(shí)。

如果這些航天器攜帶原子鐘，它們可以計(jì)算出自己的位置和方向，但這些鐘必須高度穩(wěn)定。GPS衛(wèi)星攜帶原子鐘，幫助我們到達(dá)地球上的目的地，但這些時(shí)鐘需要每天更新幾次，以保持必要的穩(wěn)定水平。深空任務(wù)將需要更穩(wěn)定的天基時(shí)鐘。

位于通用原子公司電磁系統(tǒng)軌道試驗(yàn)臺航天器中間艙的深空原子鐘的一瞥。

由美國宇航局位于南加州的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室管理，深空原子鐘自2019年6月以來一直在通用原子公司的軌道試驗(yàn)臺航天器上運(yùn)行。新的研究報(bào)告稱，任務(wù)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了空間長期原子鐘穩(wěn)定性的新紀(jì)錄，達(dá)到了目前天基原子鐘穩(wěn)定性的10倍以上，包括GPS衛(wèi)星上的原子鐘。

當(dāng)每一納秒都很重要時(shí)

所有的原子鐘都有某種程度的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致時(shí)鐘的時(shí)間與實(shí)際時(shí)間的偏移。如果不加以糾正，這種偏移雖然微不足道，但會迅速增加，而對于航天器的導(dǎo)航來說，即使是一個(gè)微小的偏移也會產(chǎn)生巨大的影響。

深空原子鐘任務(wù)的關(guān)鍵目標(biāo)之一是測量時(shí)鐘在越來越長時(shí)期內(nèi)的穩(wěn)定性，在新的論文中，該團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一個(gè)穩(wěn)定的水平，導(dǎo)致在超過20天的運(yùn)行后，時(shí)間偏差小于4納秒。

"一般來說，1納秒的時(shí)間不確定性對應(yīng)于大約1英尺的距離不確定性，"JPL的任務(wù)原子鐘物理學(xué)家和新論文的共同作者Eric Burt說。"一些GPS時(shí)鐘必須每天更新數(shù)次以保持這一水平的穩(wěn)定性，這意味著GPS高度依賴與地面的通信。深空原子鐘將這一時(shí)間推到了一周或更久，從而有可能使像GPS這樣的應(yīng)用獲得更多的自主權(quán)。"

新論文中報(bào)告的穩(wěn)定性和隨后的時(shí)間延遲比該團(tuán)隊(duì)在2020年春季報(bào)告的要好大約五倍。這并不代表時(shí)鐘本身的改進(jìn)，而是團(tuán)隊(duì)對時(shí)鐘穩(wěn)定性的測量。更長的運(yùn)行期和幾乎一整年的額外數(shù)據(jù)使得他們的測量精度得到了提高。

美國宇航局的深空原子鐘可以徹底改變深空導(dǎo)航。該技術(shù)演示的一個(gè)關(guān)鍵要求是一個(gè)緊湊的設(shè)計(jì)。這里展示的是完整的硬件包，每邊只有大約10英寸(25厘米)。

深空原子鐘任務(wù)將在8月結(jié)束，但美國宇航局宣布，這項(xiàng)技術(shù)的工作仍在繼續(xù)：深空原子鐘-2，這個(gè)尖端計(jì)時(shí)器的改進(jìn)版，將在飛往金星的VERITAS(金星輻射率、無線電科學(xué)、InSAR、地形學(xué)和光譜學(xué)的簡稱)任務(wù)中飛行。與它的前身一樣，新設(shè)計(jì)的太空原子鐘是一個(gè)技術(shù)演示，意味著它的目標(biāo)是通過開發(fā)目前不存在的儀器、硬件、軟件或類似的東西來推進(jìn)太空能力。由JPL建造并由NASA空間技術(shù)任務(wù)局(STMD)資助，用這項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生的超精確時(shí)鐘信號可以幫助實(shí)現(xiàn)自主航天器導(dǎo)航，并加強(qiáng)未來任務(wù)的無線電科學(xué)觀測。

深空原子鐘的心臟

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，或稱CAD繪制了時(shí)鐘的線性離子阱--深空原子鐘物理包的 "心臟"--比兩卷并排的硬幣略小。DSAC項(xiàng)目是一個(gè)基于汞離子阱技術(shù)的小型低質(zhì)量原子鐘，將在太空中展示實(shí)力，為下一代深空導(dǎo)航和無線電科學(xué)提供前所未有的穩(wěn)定性。

"NASA在VERITAS上選擇了深空原子鐘-2，這說明了這項(xiàng)技術(shù)的前景，"JPL的深空原子鐘主要研究人員和項(xiàng)目經(jīng)理Todd Ely說。"在VERITAS上，我們的目標(biāo)是讓這個(gè)下一代空間時(shí)鐘通過它的考驗(yàn)，并展示它在深空導(dǎo)航和科學(xué)方面的潛力。"

關(guān)鍵詞： 月球 原子鐘 GPS系統(tǒng) 航天器